風電葉片擺振疲勞損傷分析與補強維修

駱傳龍，李秀海，李軍向，顧育慧，張 靖，楊海江

（明陽智慧能源集團股份公司，中山 528437）

0 前言

風能作為一種清潔能源，長久以來受到世界各國的推崇。隨著國家“雙碳”政策的推行，風電市場將迎來很長一段時間的繁榮期。在整個風力發(fā)電系統(tǒng)中，葉片作為前端捕獲風能的機構［1］，經受著復雜多變的載荷工況以及惡劣嚴苛的生存環(huán)境的雙重考驗。風電葉片結構失效時有發(fā)生，尤其以疲勞失效居多［2］， 葉片的疲勞失效也一直是行業(yè)內的重點研究問題。

Mar?′n J C［3］對一批300 kW風電葉片的疲勞損傷情況進行了研究，發(fā)現(xiàn)葉片的表面裂紋、幾何過渡不均勻和殼體厚度突變都會增大疲勞應力的幅值，加速疲勞損傷的擴展。

Pan Zujin［4］等在2MW全尺寸葉片的擺振疲勞實驗中，發(fā)現(xiàn)在葉片最大弦長截面，后緣棱邊處形狀過渡不均勻引起應力集中，輕木和玻璃鋼在厚度過渡處出現(xiàn)分層。在增加芯材厚度、對葉片后緣結構重新設計后，該擺振疲勞損傷的問題得以解決。

Chen Xiao［5］對47 m全尺寸葉片進行了揮舞疲勞實驗，將實驗前后葉片的彎曲剛度、固有頻率和阻尼比分別進行對比分析。發(fā)現(xiàn)由揮舞疲勞載荷引起的葉片剛度退化過程和材料的試樣級疲勞試驗顯示的規(guī)律相同，即剛度衰減在疲勞的前兩個階段都是由快變慢。相比于葉片剛度，將阻尼比作為評價葉片整體疲勞損傷的指標更實用。

Castro, Oscar［6］等人還指出，葉片在實際運行過程中，同時受到不同方向的彎曲和扭轉載荷。而現(xiàn)行的測試標準只針對擺振和揮舞兩個方向的疲勞載荷進行測試，所以，葉片結構設計中的風險點在單軸疲勞測試中不能完全暴露。單軸疲勞測試不能完全捕捉到葉片實際運行中可能出現(xiàn)的疲勞損傷。

Peter R Greaves［7］也認為，雙軸疲勞實驗比分別進行擺振和揮舞方向的單軸疲勞實驗更具有代表性，更能真實反映葉片實際運行時的受載狀態(tài)。他們提出了將擺振疲勞載荷和揮舞疲勞載荷耦合起來的方法，通過選擇兩種疲勞載荷的合適的相位角，使揮舞和擺振疲勞載荷都滿足測試要求。

Chizhi Zhang［8］等以NREL 5MW風機葉片為研究對象，提出了一種基于修正的葉素動量理論評估疲勞損傷的方法。

GL設計規(guī)范明確規(guī)定了葉片玻璃纖維復合材料在0°方向的疲勞計算方法，而對復合材料在90°方向的疲勞沒有明確要求。然而，葉片在進行擺振疲勞測試時，殼體復合材料90°方向的應力也容易使葉片出現(xiàn)疲勞損傷裂紋。葉片在實際正常運行時，內部材料多處于多軸循環(huán)應力條件下［9］，僅考慮0°方向的單軸疲勞無法確保葉片實際運行時的疲勞安全性，不能滿足實際工程需要。

本文以某70 m級葉片為研究對象，概述了該葉片在擺振疲勞測試中出現(xiàn)的損傷情況，結合有限元疲勞計算結果，分析了引起葉片擺振疲勞損傷的可能原因，并針對性地給出了維修補強方案，同時對補強后的葉片進行疲勞分析，合理地給出了該款葉片擺振疲勞90°方向安全系數(shù)的閾值。

1 實驗部分

1.1 原材料

玻纖布：單軸布/雙軸布/三軸布

1.2 設備儀器

激振器：45kW電機，凱日電氣

動態(tài)應變采集系統(tǒng)：DH5921，東華測試

應變片：BE120-10AA-P150，中航電測

1.3 疲勞測試裝置

葉片疲勞實驗依據(jù)風電葉片全尺寸測試（標準IEC 61400-23）［10］執(zhí)行，擺振疲勞測試預計進行400萬 次循環(huán)。葉片安裝角為0°，以后緣向下的姿態(tài)安裝在測試平臺上，如圖1。采用單點共振恒幅加載方式，在L45 m位置安裝帶有偏心質量的驅動電機給葉片施加恒定的疲勞載荷，激振器與配重合計1600 kg。為使葉片各截面均能達到疲勞測試的目標載荷，同時避免葉根彎矩過大，將葉片L50 m至葉尖截斷。

圖1 葉片擺振疲勞實驗裝置

1.4 損傷描述

測試樣片先進行靜力測試，完成靜力測試檢查并確認葉片無異常后開始進行疲勞測試，在擺振疲勞測試載荷循環(huán)次數(shù)達到5萬次時，對葉片進行例行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)葉片PS面后緣在殼體外表面出現(xiàn)軸向微裂紋，如圖2所示。微裂紋分布在葉片軸向L5～L7 m，距離后緣合?？p約0.8 m的位置，微裂紋損傷面積約為900 mm×120 mm。對葉片內腔進行檢查時，發(fā)現(xiàn)在SS面后緣芯材與后緣梁過渡區(qū)域出現(xiàn)發(fā)白損傷，微裂紋分布在軸向L3.5～L6m范圍內，損傷區(qū)域的寬度約為180 mm，如圖3所示。

圖2 PS面外表面后緣微裂紋

1.5 疲勞分析方法

復核該葉片的結構鋪層圖紙，圖2和圖3中葉片出現(xiàn)疲勞失效的位置是由3AX1350H［0°,±30°］玻纖布、3AX880H［0°,±30°］玻纖布和Balsa三種材料復合成的夾芯板結構。表1列出了該葉片主要材料的材料屬性，表2為兩種三軸玻纖布的拉伸和壓縮強度。

圖3 SS面內表面后緣微裂紋

表1 葉片主材的材料屬性

表2 三軸布的拉伸和壓縮強度

本文針對該測試葉片的擺振疲勞進行了有限元分析。采用Focus軟件建立葉片鋪層結構模型，進行網格尺寸設置后導出有限元模型。在ANSYS中進行疲勞計算并提取單元橫向應力進行后處理。后處理計算過程中，主要使用GL設計規(guī)范中對葉片復合材料0°方向疲勞的計算方法，將該計算方法等效應用于90°方向的疲勞安全系數(shù)計算。材料在疲勞載荷下的許用循環(huán)次數(shù)計算方法如下：

公式（1）中，在葉片擺振疲勞實驗中，可以認為平均應力。將式（1）簡化后得：

將簡化后的材料疲勞許用循環(huán)次數(shù)計算公式（2）結合疲勞的線性累計損傷理論，編寫成ANSYS APDL命令流。將葉片各組分材料的疲勞安全系數(shù)云圖與葉片在擺振疲勞測試中裂紋損傷位置結合起來分析疲勞失效原因。

2 結果與討論

3AX1350H［0°,±30°］玻纖布的擺振疲勞安全系數(shù)云圖如圖4。圖4中疲勞危險區(qū)域分布在PS面和SS面后緣面板上，軸向L2.9～L6.9m，弦向距離后緣合?？p0.79 m～1.32 m區(qū)間內。而測試樣片實際出現(xiàn)擺振疲勞微裂紋也是在軸向L5～L7 m范圍內，距離后緣0.80 m的位置，與圖4中有限元計算出的擺振疲勞危險區(qū)域基本一致。

圖4中3AX1350H［0°,±30°］玻纖布的疲勞危險區(qū)域基本沿后緣合?？p對稱分布，且PS面的危險區(qū)域面積更大，疲勞安全系數(shù)更小。在合模縫兩側，芯材和后緣梁交界的位置，也有呈條帶狀展向分布的疲勞失效發(fā)生。提取單元橫向應力進行后處理計算，擺振疲勞安全系數(shù)的最小值為0.21。

圖4 3AX1350H[0°,±30°]材料的疲勞安全系數(shù)云圖

3AX880H［0°,±30°］玻纖布在擺振疲勞載荷下的安全系數(shù)云圖如圖5。圖5中疲勞危險區(qū)域主要分布在PS面后緣面板以及后緣芯材與后緣梁交界的區(qū)域。PS面擺振疲勞損傷發(fā)生在軸向L2.4～L5.3m，弦向距離后緣合?？p0.76m～1.20m區(qū)間內。相對于3AX1350H［0°,±30°］玻纖布，3AX880H［0°,±30°］玻纖布的疲勞危險區(qū)域面積更小。其擺振疲勞安全系數(shù)的最小值為0.25，大于3AX1350H［0°,±30°］玻纖布的0.21。

圖5 3AX880H[0°,±30°]材料的疲勞安全系數(shù)云圖

3 維修補強方案

在對測試樣片的擺振疲勞損傷情況進行現(xiàn)場排查以后，結合有限元計算結果，認為引起擺振疲勞損傷的可能原因是葉根段玻纖布材料鋪層在90°方向纖維體積分數(shù)低，導致殼體層合板結構在擺振方向的拉伸和壓縮強度均偏低。嘗試采用2AX808H［±45°］的雙軸玻纖布對葉片后緣進行補強。補強時，先對疲勞損傷區(qū)域的殼體打磨并加工錯層，再進行真空灌注維修。具體的維修補強方案中葉片后緣外腔補強布鋪層見表3，內腔補強布鋪層見表4。在Focus軟件中建立的補強布鋪層示意圖如圖6所示。

圖6 葉片后緣補強鋪層

表3 PS/SS面外腔補強鋪層

表4 PS/SS面內腔補強鋪層

該葉片在經過上述維修補強以后，再次進行了疲勞測試并順利通過。對補強后葉片的擺振疲勞重新計算，嘗試從維修補強方案中總結出一個評價擺振疲勞安全系數(shù)的閾值，用于指導后續(xù)的葉片結構設計工作。

4 補強后葉片的擺振疲勞分析

維修補強后，3AX1350H［0°,±30°］玻纖布在擺振疲勞載荷下的最小安全系數(shù)從0.21增加到0.31。圖7顯示的是安全系數(shù)低于0.54的區(qū)域，發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)低于0.54的單元較少，疲勞失效單元仍然分布在后緣合?？p兩側。部分單元發(fā)生疲勞失效是網格不規(guī)則引起單元應力突變造成的。原來存在于葉片后緣殼體上的3AX1350H［0°,±30°］玻纖布大面積疲勞失效在補強后得到了顯著改善。

圖7 補強后3AX1350H[0°,±30°]疲勞安全系數(shù)云圖

3AX880H［0°,±30°］玻纖布的擺振疲勞最小安全系數(shù)從0.25增加到0.36，其最小安全系數(shù)云圖如圖8所示。葉片PS面和SS面殼體上基本沒有3AX880H［0°,±30°］玻纖布的疲勞失效發(fā)生，整體疲勞安全系數(shù)都在0.54以上。

圖8 補強后3AX880H[0°,±30°]疲勞安全系數(shù)云圖

根據(jù)以上對兩種三軸玻纖布的擺振疲勞計算結果，發(fā)現(xiàn)在采用2AX808H［±45°］雙軸玻纖布進行補強以后，葉片殼體上3AX1350H［0°,±30°］和3AX880H［0°,±30°］玻纖布的擺振疲勞安全系數(shù)都大于0.54，且葉片補強后順利通過了疲勞測試。因此，可以將0.54作為該款葉片擺振疲勞安全系數(shù)的閾值。也證實了擺振疲勞損傷與殼體玻纖布90°方向纖維含量低有關，采用2AX808H［±45°］雙軸玻纖布補強能有效地改善葉片的擺振疲勞90°方向損傷狀況。

5 結論

本文概述了某70 m級葉片在擺振疲勞測試中出現(xiàn)的疲勞損傷情況，并結合有限元計算，分析了引起擺振疲勞損傷的可能原因。認為葉片殼體玻纖布鋪層在90°方向纖維體積分數(shù)低是導致擺振疲勞損傷的原因之一，而采用2AX808H［±45°］雙軸玻纖布能有效地改善葉片的擺振疲勞損傷狀況。通過對補強后葉片的擺振疲勞的分析，認為可以將0.54作為該葉片擺振疲勞90°方向安全系數(shù)的閾值。本文為葉片設計人員分析擺振疲勞提供了一種新思路，也為擺振疲勞損傷的維修提供了一種行之有效的方案。